大气CO2体积分数升高条件下玉米叶片抗氧化能力的变化.doc

付宇等：大气CO2体积分数升高条件下玉米叶片抗氧化能力的变化 961大气CO2体积分数升高条件下玉米叶片抗氧化能力的变化付宇1，赵天宏1*，孙加伟1，胡莹莹1，徐玲1，赵艺欣1，史奕21. 沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳 110161；2. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016摘要：近年来大气中CO2体积分数急剧上升，对植物的光合作用、呼吸作用、水分利用等产生重要的影响。文章利用开顶式气室（OTC）研究了大气CO2体积分数升高条件下玉米（Zea mays L.）叶片抗氧化能力的变化。结果表明，整个生长季内，与对照相比，在高体积分数CO2（55010-6）条件下，玉米叶片的相对电导率和MDA含量下降，说明膜脂过氧化程度有所降低；O2产生速率和H2O2含量与对照相比呈下降趋势并在灌浆期呈显著性差异（P0.05），但是随着熏蒸时间的延长，高体积分数CO2处理的植株O2产生速率和H2O2含量都逐渐降低，这说明高体积分数CO2下活性氧产生减少；SOD、POD、CAT的活性与对照相比明显升高并达到显著（P0.05）或极显著水平（P0.01）；百粒质量、穗粒数和穗粒质量均高于对照，说明CO2体积分数升高有利于提高玉米的抗氧化能力，促进植物生长。关键词：CO2体积分数升高；玉米；抗氧化能力；膜脂过氧化中图分类号：Q948；X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）03-0957-05当今世界工农业生产迅速发展，对能源的消耗与日俱增，使得大气中CO2体积分数不断升高，这不仅加剧了全球的温室效应，也改变了全球生态系统中碳的平衡。目前大气CO2体积分数已从工业革命前的27010-6增至36010-6，并继续以每年大约110-61.510-6的速率上升。预计到本世纪末大气CO2体积分数将达到70010-6 1。围绕全球CO2体积分数升高对植物的影响已经进行了许多研究，但主要是集中在光合反应等方面2-6。而关于CO2体积分数升高对植物抗氧化能力影响的研究结果也各不相同。彭长连等7的研究表明：CO2体积分数升高可以提高水稻叶绿体内的PCO2/PO2比值，增加CO2的同化，使植物体内产生的某些活性氧生成速率减少，SOD、POD、CAT 活性相应降低。而林久生8和胡莹莹9则认为CO2体积分数升高条件下小麦的几种主要抗氧化酶的活性在整个周期都比对照有显著的升高,这表明CO2体积分数升高条件下小麦氧化损伤减轻的主要原因可能不是因为活性氧含量的下降，而是在于细胞内抗氧化能力的加强。阮亚男等对银杏的研究也得到了相同的结论10。本试验主要利用开顶式气室（Open-top chamber，OTC）研究CO2体积分数升高条件下玉米膜脂过氧化程度及抗氧化能力的变化，以揭示CO2体积分数升高对作物深层次的作用机制。1 材料与方法1.1 试验材料与设计以玉米（Zea mays L.）品种沈糯3号（沈阳农业大学特种玉米研究所提供）为试材。利用开顶式气室（OTC）对玉米进行试验熏蒸。试验在中国科学院沈阳野外农田生态系统生态站（国家级试验站）进行，试验主要设备为4个完全相同的OTC（横截面为正八边形，边长1.15 m，高2.4 m，玻璃室壁）及与其配套的通气、通风控制设备，主要包括CO2红外传感器（森尔，瑞典）用于实时监控开顶箱内CO2体积分数，温湿度传感器采集开顶箱内温湿度数据，以及数据分析与自动控制充气系统。CO2来源为钢瓶装纯CO2。在整个试验期间，气室内实际CO2体积分数控制在（55020）10-6范围内。试验设两个处理：CO2熏蒸（55020）10-6和对照（CK，OTC中自然大气下CO2体积分数）。2007年5月12日播种，室外盆栽。7月3日移栽于气室内，每个气室20株。7月9日开始通入CO2，每天熏蒸24 h。试验期间水分、肥料均匀一致，无病虫害及杂草等限制因素。分别于玉米雌穗小花分化期（7月17日）、抽雄期（7月27日）和灌浆期（8月10日）取样，选取玉米上部全展叶为试材，每个处理气室间重复2次，气室内重复3次。8月30日停止通气。数据分析及作图采用Microsoft Excel和DPS软件。1.2 测定方法1.2.1 膜脂过氧化指标的测定丙二醛（MDA）含量的测定参照郝建军等11165-166的硫代巴比妥酸（TBA）比色法；相对电导率用DDS-11A型电导率仪测定。1.2.2 活性氧（ROS）的测定超氧阴离子（O2）产生速率测定参照郝建军等11187-189的方法进行；过氧化氢（H2O2）含量参照邹琦12的方法测定。1.2.3 抗氧化酶活性的测定超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定参照郝建军11162-163的方法；过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性的测定参照陈建勋等13的方法； 1.2.4 籽粒产量的测定植株收获后，每个气室取样5株，自然风干后，测定出籽粒的百粒质量、穗粒数和穗粒质量，用电子分析天平（感量0.001）称质量。2 结果与分析2.1 CO2体积分数升高对玉米叶片细胞膜透性的影响从图1和图2可以看出，在整个生育期内，随着通气时间的延长，两个处理的相对电导率和MDA含量变化均呈升高趋势，并且变化趋势是CO2CK。高体积分数CO2处理植株的相对电导率在抽雄期和灌浆期极显著低于CK（P0.01），在各生育时期的降低幅度分别为11.76%、19.57%和15.46%。而高体积分数CO2处理植株的MDA含量在灌浆期显著低于CK（P0.05）。图1 CO2体积分数升高对玉米叶片相对电导率的影响Fig. 1 Effects of elevated CO2 on relative electrical conductivity in maize leaves图中同一生育时期内不同处理间不同大小写字母分别表示差异极显著（P0.01）和显著（P0.05）, 图25同2.2 大气CO2体积分数升高对玉米叶片活性氧代谢的影响图2 CO2体积分数升高对玉米叶片丙二醛含量的影响Fig. 2 Effects of elevated CO2 on MDA contents in maize leaves不同生育时期高体积分数CO2处理条件下玉米叶片O2产生速率和H2O2含量均呈下降趋势（图3和图4），最大降幅分别为36.86%和42.06%，这与CK的变化趋势正好相反。处理间趋势为CO2CK。在灌浆期，高体积分数CO2和CK之间的O2产生速率呈极显著差异（P0.01），而高体积分数CO2处理植株的H2O2含量在抽雄期和灌浆期都显著低于CK（P0.05）。图3 CO2体积分数升高对玉米叶片O2产生速率的影响Fig. 3 Effects of elevated CO2 on O2 producing rate in maize leaves2.3 大气CO2体积分数升高条件下玉米叶片抗氧化能力的变化 SOD、CAT和POD是植物体内抗氧化系统中重要的保护酶，在清除ROS过程中发挥了重要的作用。由图5可知，随着通气时间的延长，在各个生育时期内，两处理玉米叶片SOD、CAT和POD的活性均呈上升趋势。且各生育时期内各酶活的变化趋势均为：CO2CK。与CK相比，高体积分数CO2处理条件下玉米叶片SOD、CAT和POD活性升高的最大幅度分别为78.08%、234.15%和43.94%，并且随着通气时间的延长，升高的幅度逐渐下降。在整个生育期内，高体积分数CO2和CK之间的CAT活性始终呈现显著性差异（P0.05）。POD活性只在灌浆期达到显著水平（P0.05）。SOD活性只在雌穗小花分化期达到显著差异（P0.05）。图4 CO2体积分数升高对玉米叶片H2O2含量的影响Fig. 4 Effects of elevated CO2 on H2O2 contents in maize leaves2.4 大气CO2体积分数升高条件对玉米籽粒产量的影响由表1可知，与CK相比，高体积分数CO2处理下玉米的百粒质量、穗粒数和穗粒质量分别增加了18.3%、12.3%和21.5%，CO2与CK之间穗粒数和穗粒质量的显著性差异均达到显著水平（P0.05）。3 结论与讨论 图5 CO2体积分数升高对玉米叶片SOD (A)、CAT (B)和POD (C)活性的影响Fig. 5 Effects of elevated CO2 on the activities of SOD (A)、CAT (B) and POD (C) in maize leaves相对电导率和MDA含量是细胞膜损伤的重要指标。与对照相比，CO2体积分数升高条件下玉米叶片相对电导率和MDA含量下降，这与于娟等14和胡莹莹等9的实验结果一致。说明CO2体积分数升高对细胞膜有保护作用，使玉米叶片膜脂过氧化程度减弱，对防护玉米的氧化损伤具有一定的作用。ROS(如O2和H2O2)是植物体内正常代谢的产物。本试验中O2产生速率和H2O2含量都低于对照，说明CO2体积分数升高可以降低ROS的积累，阻抑膜脂过氧化连锁反应，使细胞膜稳定性增加，离子渗漏减少，增强植物的抗逆能力。大量研究表明，CO2体积分数升高对植物抗氧化酶活性的影响因不同品种、通气时间长短而有所不同7,8,10,15。本实验中高CO2体积分数处理玉米叶片SOD、CAT 和POD活性都比对照有所升高，而O2产生速率和H2O2含量都低于对照，可见在高CO2体积分数条件下抗氧化酶活性提高不是被活性氧浓度升高所刺激。Rao等16发现在CO2倍增条件下生长的植物能够增强对臭氧诱导的氧化损伤的抵抗，认为高CO2体积分数能提高植物的抗氧化能力，本实验结果与其相一致。大量研究17-21认为高CO2体积分数能提高抗氧化酶活性，有利于增强植物的抗逆性。阮亚男等10的研究表明，在短期内，CO2倍增条件下生长银杏叶片SOD、APX和GR酶活性都对照有所升高，并且认为CO2倍增条件下银杏的抗性增强，膜脂过氧化程度降低可能是由于高体积分数CO2能够提高叶绿体PSI内NADP+的利用率，产生大量的NADPH，这些NADPH不仅能增强卡尔文循环而且能被用于ASAGSH循环，从而增加抗氧化酶活性。因此抗氧化酶对活性氧的清除能力增强，细胞内活性氧含量降低，对细胞的攻击能力减弱。另外有实验证明，高体积分数CO2使植物氧化损伤和抗氧化酶活性降低，他们认为膜脂过氧化程度的降低是由于活性氧产生量的减少所致7。本试验中随着通气时间的延长，与对照相反，高体积分数CO2处理条件下玉米叶片O2产生速率和H2O2含量均呈下降趋势，这是因为CO2体积分数升高条件下，SOD、CAT 和POD活性持续升高，这与彭长连等7和阮亚男等10的研究结果不一致，这是因为本试验在玉米生长中后期开始进行熏蒸，通气时间相对较短，还与CO2熏蒸浓度有关。因此随CO2熏蒸浓度、熏蒸时间以及研究试材等不同，会得到不同的结论，有关这方面的深层次机理还需进一步研究。表1 CO2体积分数升高对玉米籽粒产量的影响Table 1 Effects of elevated CO2 on maize grain yield处理百粒质量/g穗粒数/个穗粒质量/gCK18.122.06 a42314.53 a43.172.16 aCO221.430.58 a47521.66 b52.433.12 b注：图中同一生育时期内不同处理间不同大小写字母分别表示差异显著（P0.05）本试验中CO2处理下玉米的百粒质量、穗粒数和穗粒质量与对照相比都有所增加，说明高体积分数CO2有利于玉米的生长发育。参考文献：1 MONIQUE C, LAURE H. Elevated atmospheric CO2 in open top chambers increases net nitrification and potential denitrificationJ. Global Change Biology, 2002, 8: 590-598.2 BARTAK M, NijsIJS, IMPENS I. The susceptibility of PS II of Lolium perenne to a sudden fall in air temperature-esponse of plants grown in elevated CO2 and/or increased air temperatureJ. Environ and Experiental Botany, 1998, 39: 85-95.3 COTRUFO M F, INESON P, SCOTT A. Elevated CO2 reduces the nitrogen concentration of plant tissuesJ. Global Change Biology, 1998, 4: 43-54.4 李华云, 庄军平, 黄胜琴, 等. 高浓度CO2对蝴蝶兰CO2吸收速率和生长的影响J. 园艺学报, 2007, 34(3): 705-710.Li Huayun, Zhuang Junping, Huang Shengqin, et al. Effects of Elevated CO2 Concentration on Growth and Carbon Fixation of Phalaenopsissogo Benz sogoJ. Acta Horticulturae Sinica, 2007, 34(3): 705-710.5 赵天宏, 史奕, 王春乙, 等. CO2和O3浓度倍增及其交互作用对大豆叶绿素含量的影响J. 生态学杂志, 2003, 22(6): 117-120.Zhao Tianhong, Shi Yi, Wang Chunyi, Huang Guohong, et al. Effect of doubled CO2 and O3 on chlorophyll content of soybeanJ. Chinese Journal of Ecology, 2003, 22(6): 117-120. 6 LEAKEY A D B, BERNACCHI C J, DOHLEMAN F G, et al. Will photosynthesis of maize (Zea mays) in the US Corn Belt increase in future CO2 rich atmospheres? An analysis of diurnal courses of CO2 uptake under free-air concentration enrichment (FACE)J. Global Change Biology, 2004, 10: 951-962.7 彭长连, 林植芳, 林桂珠. 加富CO2条件下水稻叶片抗氧化能力的变化J. 作物学报, 1999, 25(1): 39-43.Peng Changlian, Lin Zhifang, Lin Guizhu. Changes of antioxidative ability in leaves of rice cultivars grown under enriched CO2J. Acta Agronomica Sinica, 1999, 25(1): 39-43.8 林久生, 王根轩. CO2倍增对渗透胁迫下小麦叶片抗氧化酶类及细胞程序性死亡的影响J. 植物生理学报, 2000, 26(5): 453-457.Lin Jiusheng, Wang Genxuan. Effects of doubled CO2 concentration on antioxidant enzymes and programmed cell death of wheat leaves under osmotic stressJ. Acta Phytophysiologca Sinica, 2000, 26(5): 453-457.9 胡莹莹, 赵天宏, 等. CO2浓度升高对春小麦不同生育时期抗氧化系统的影响J. 华北农学报, 2007, 22(5): 15-18.Hu Yingying, Zhao Tianhong, Xu Ling, et al. Effects of elevated CO2 concentration on anti-oxidative system in different bearing time of spring wheatJ. Acta agricultural Boreali-Sinica, 2007, 22(5): 15-18.10 阮亚男, 何兴元, 陈玮, 等. CO2浓度倍增对城市银杏(Ginkgo biloba)叶片膜脂过氧化与抗氧化酶活性的影响J. 生态学报, 2007, 27(3): 1106-1112.Ruan Yanan, He Xingyuan, Wang Wei, et al. Effects of elevated CO2 on lipid peroxidation and activities of antioxidant enzymes in Ginkgo bilobaJ. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(3): 1106-1112.11 郝建军, 刘延吉. 植物生理学实验技术M. 2版. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 2001.Hao Jianjun, Liu Yanji. Experimental technology on plant physiologyM. 2nd ed. Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishing House, 2001: 162-166.12 邹琦. 植物生理学实验指导M. 2版. 北京: 中国农业出版社, 2000: 159-170.Zou Qi. Experimental Manual on Plant PhysiologyM. 2nd ed. Beijing: Chinese Agriculture Press, 2000: 159-170.13 陈建勋, 王晓峰. 植物生理学实验指导M. 2版. 广州: 华南理工大学出版社, 2006: 72-73.Chen Jianxun, Wang Xiaofeng. Experimental Manual on Plant PhysiologyM. 2nd ed. Guangzhou: South China Technical University Publishing House, 2006: 72-73.14 于娟, 唐学玺, 张培玉, 等. CO2加富对两种海洋微绿藻的生长、光合作用和抗氧化酶活性的影响J. 生态学报, 2005, 25(2): 197-202.Yu Juan, Tang Xuexi, Zhang Peiyu, et al. Effects of CO2 enrichment on growth, photosynthesis and activities of antioxidant enzymes of two marine micro-green-algaeJ. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(2): 197-202.15 任红旭, 陈雄, 吴冬秀. CO2浓度升高对干旱胁迫下蚕豆光合作用和抗氧化能力的影响J. 作物学报, 2001, 27(6): 729-736.Ren Hongxu, Chen Xiong, Wu Dongxiu. Effects of elevated CO2 on photosynthesis and antioxidative ability of broad bean plants grown under drought conditionJ. Acta Agronomica Sinica, 2001, 27(6): 729-736.16 RAO M V, HALE B A, ORMROD D P. Amelioration of ozone-induced oxidative damage in wheat plants grown under high carbon dioxideJ. Plant Physiology, 1995, 109: 421-432.17 梁建萍, 刘咏梅, 牛远, 等. 高温和CO2浓度倍增对华北落叶松幼苗抗氧化酶及脂质过氧化的影响J. 中国生态农业学报, 2007, 15(3): 100.Liang Jianping, Liu Yongmei, Niu Yuan. Effects of high temperature and doubled CO2 on antioxidant enzymes and lipid peroxidation in Larix principis-rupprechtii Mayr seedlingsJ. Chinese Journal of Ecology Agriculture, 2007, 15(3): 100-103.18 陈雄, 吴冬秀, 王根轩. CO2浓度升高对干旱胁迫下小麦光合作用和抗氧化酶活性的影响J. 应用生态学报, 2000, 11(6): 881-884. Chen Xiong, Wu Dongxiu, Wang Genxuan. Effect of elevated CO2 concentration on photosynthesis and antioxidative enzyme activities of wheat plant grown under drought conditionJ. Chinese Journal of Applied Ecology, 2000, 15(3): 881-884.19 陈丹, 张放. 水分胁迫条件下CO2加富对枇杷叶绿素荧光及抗氧化酶的影响J. 浙江农业学报, 2004, 16(2): 63-67.Chen Dan, Zhang Fang. Effects of CO2 enrichment on chlorophyll fluorescence and antioxidative enzymes in Loquat (Eriobotrya japonica Lindl) under the condition of water-stressJ. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2004, 16(2): 63-67.20 MCKEE I F, EIBLMEIER M, POLLE A. Enhanced ozone-tolerance in wheat grown at an elevated CO2 concentration: ozone exclusion and detoxificationJ. New Phytologist, 1997, 137: 275-284.21 OKSANEN E, RIIKONEN J, KAAKINEN S, et al. Structural characteristics and chemical composition of birch (Betula pendula) leaves are modified by increasing CO2 and ozoneJ. Global Change Biology, 2005, 11: 732-748.Changes of anti-oxidative ability in maize leaves under elevated atmospheric CO2Fu Yu1, Zhao Tianhong1, Sun Jiawei1, Hu Yingying1, Xu Ling1, Zhao Yixin1, Shi Yi21. College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China;2. Institute of Shenyang Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, ChinaAbstract: In recent years, the elevated volume fraction of atmospheric CO2 has some significant effects on plant photosynthesis, r